«Остров», «магия» и «алхимия». Как это связано с современной физикой
Знали ли вы, что в современной физике на полном серьезе верят в магические числа и ради веры в это готовы тратить миллионы долларов на огромные ускорители и нанограммы редчайших элементов? Не верится? А такое есть, и сейчас мы разберемся, что к чему. И светит ли простым обывателям хоть какая-то польза от этих алхимических в каком-то смысле «ритуалов»? Но, по традиции, начнем издалека.
Самое большое количество протонов среди элементов, встречающихся в природе — у урана. 92 протона. Все остальные элементы живут мало или очень мало. В любом случае, недостаточно, чтобы остаться на Земле со времен образования из старых мертвых звезд газопылевого облака, в котором в свою очередь образовалось наше новое Солнце. Да и даже со времен, как на уже вполне существующую Землю выпал осадочек от взрыва какой-нибудь относительно недалекой сверхновой, в которой могли бы образоваться сверхтяжелые элементы.
Все элементы тяжелее урана образованы в ядерных реакторах, взрывах или на специальных ускорителях. А что как не алхимия превращение одного элемента в другой? Только сейчас она основана не на абстрактных идеях, а на научных гипотезах. Однако синтезировать что-то практичное и полезное в жизни пока не получается.
Самый стабильный изотоп 98-го калифорния полураспадается за 900 лет, 99-го эйнштейния за 470 дней, а дармштадтий с 110 протонами лишится половины себя за 13 секунд. Казалось бы, можно экстраполировать до такого короткого времени, когда ядро распалось бы до того, как электроны успели бы занять свои орбиты (10-14 секунд) но не все так просто. Тут дело и вступает «магия».
Так сложилось изначально, что есть количества нейтронов и протонов, при котором элемент и/или изотоп будет особенно стабилен. Это как есть инертные газы, где дальняя орбиталь заполнена электронами под завязку, поэтому они и не вступают во взаимодействия. Так и тут, если оболочки заполнены протонами или нейтронами, ядро особенно стабильно. Например, такие числа 82 и 126. Это и есть одни из так называемых в науке «магических чисел». Изотоп свинца (82 протона) с 126 нейтронами получается дважды магическим. Так и есть. Внутриядерные силы в нем особенно сильны, а так бы он не «дожил» до наших дней, если бы все было линейно. Получены в лабораториях и «сверхтяжелые» изотопы легких элементов.
Заметили абзацем выше число 126? Физики предполагают, что элемент с 126 протонами окажется сверхстабильным, в отличие от своего краткоживущего окружения. Гипотетически это целая зона с несколькими элементами и их изотопами. Физики-романтики назвали это «островом сверхстабильности в море нестабильности».
Две лаборатории в США и по одной в Германии, Японии и России занимаются попыткой «доплыть» до этого острова. Успешнее всего получается у Объединенного института ядерных исследований в Дубне, где сумели добраться до 118 элемента. Поэтому и есть в современной таблице Менделеева московий и дубний, а последний на сегодняшний момент оганесон так вообще назван в честь здравствующего ученого — руководителя Лаборатории ядерных реакций Юрия Оганесяна.
Чтобы подплыть поближе к острову в этой лаборатории создали «Фабрику сверхтяжелых элементов» стоимостью 26 миллионов долларов. Все ради создания на считанные секунды отдельных ядер атомов. В экспериментах используется изотоп кальция, грамм которого стоит 200 тысяч долларов.
Зачем все это? Может показаться, что найденный сверхтяжелый элемент может оказаться чем-то вроде могучего металла вибраниума из вселенной Marvel. Или чудесноэлектрическим сверхпроводником анобтаниумом из «Аватара». Или хотя бы невероятно эффективным топливом для реактора.
Все это может быть, хотя вряд ли. Скорее всего, «сверхстабильность» будет ограничиваться несколькими минутами, ну, может, днями. Да и стоимость вещества, нарабатываемого мощнейшими ускорителями из считанных атомов самих по себе синтезируемых элементов, будет стремиться к суммам космологического масштаба. Такой элемент полезен лишь в науке для проверки экстравагантных гипотез. Например, в ходе этой гонки уже оказалось, что атомное ядро обладает какой-то внутренней структурой.
Ценность всех этих экспериментов в другом. Мегаустановки для фундаментальных исследований — это ледокол, пробивающий путь для каравана других исследований и открытий. Сам ледокол груза не везет. Все самое прикладное и практичное доставляют идущие за ним. Избитый, но не единственный пример: интернет, рожденный в недрах ЦЕРНа. Или побочный продукт химических опытов тефлон, победивший жир в войне домохозяек и сковородок. Или верная подруга холостяков, микроволновка, обязанная своим существованием расплавившейся возле научного прибора в кармане ученого шоколадке.
Это все к тому, что клад, потенциально зарытый на острове сверхстабильности, может оказаться совершенно неожиданным.
